WO1991010899A1 - Process and device for determining amplitude and phase values according to a reflectometric measurement process - Google Patents

Process and device for determining amplitude and phase values according to a reflectometric measurement process Download PDF

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WO1991010899A1
WO1991010899A1 PCT/AT1990/000129 AT9000129W WO9110899A1 WO 1991010899 A1 WO1991010899 A1 WO 1991010899A1 AT 9000129 W AT9000129 W AT 9000129W WO 9110899 A1 WO9110899 A1 WO 9110899A1
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Werner Pritzl
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Werner Pritzl
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/04Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant in circuits having distributed constants, e.g. having very long conductors or involving high frequencies
    • G01R27/06Measuring reflection coefficients; Measuring standing-wave ratio

Definitions

  • the invention relates to a device for determining the amplitude and phase size of two differently polarized signals picked up by two separate receiving antennas, in particular signals in the microwave range, a reflective measuring device, and a method for calibrating this device.
  • Refractometry is a known measuring method for determining the refractive index or dielectric constant of surfaces or, in an extension of the method for determining refractive index or dielectric constant and layer thickness of a layer covering a surface.
  • signals formed by electromagnetic waves usually at an acute angle, are radiated onto the surface to be examined and the reflected wave or the reflected signals are recorded by means of a suitable receiver arrangement and the amounts of the p- and s-polarized portions of the Signals and the phase difference between the p- and the s-polarized components determined.
  • the complex refractive index or dielectric can number of surfaces can be determined separately. With the knowledge of these variables, it is possible in a subsequent measurement, in the presence of a layer covering the surface, to also clearly determine the remaining unknowns.
  • the reflection behavior of the surface can no longer be characterized by the complex refractive index or dielectric constant.
  • the reflection behavior of an electromagnetic wave can only be described by two complex reflection factors, each for the p- and s-polarized portion of the wave. This results in four unknowns, which consist of the three measurement sizes, etc.
  • the amplitude of the p- and s-polarized components and the phase difference between these components cannot be determined directly. The same difficulty also arises when it is not possible to separately determine the reflection behavior of the surface.
  • the roadway can generally not be considered as a homogeneous medium to be viewed as.
  • the difficulty described above therefore arises when determining the sizes sought, such as the real and imaginary parts of the refractive index or dielectric constant and the thickness of the layer covering the traffic area.
  • the aim of the invention is therefore to propose a device with which it is possible to determine a sufficient number of measurement sizes in order to be able to determine the refractive index or dielectric constant and the layer thickness using a suitable calibration and evaluation method.
  • the receiving antennas are connected to the inputs of a circuit having a power divider and power combiner, the four outputs of which are connected to detectors, two of which directly apply the signals to an associated receiving antenna and the other two to a mixture of these signals are, wherein one of these latter detectors is subjected to a mixture of these signals, in which one of the two signals is rotated in phase.
  • the power dividers connected on the input side to the receiving antennas are connected with their one outputs to one detector each and the second outputs of these power dividers are connected to the inputs of further power dividers, the one outputs of which each have an input assigned power combiner and each of the second outputs of the power divider is connected to that power combiner whose other input is connected to the other power divider, a phase shifter being arranged in at least one of these lines and the outputs of the power combiner being connected to detectors.
  • Attenuators are connected upstream of the detectors, which are preferably formed by diodes.
  • phase shifter connected between the one power divider and a power combiner causes a phase shift of -90 °.
  • Another object of the invention is to propose a method for calibrating the device according to the invention.
  • the receiving antennas and the transmitting antenna which excite both polarization directions, are mutually aligned.
  • one of the inputs connected to an antenna in the operating state is terminated without reflection and thus one of the input signals, e.g. B, set to 0, in order to determine the distribution of the other signal, in this case A, between the four outputs by measuring the voltages at the four outputs with detector diodes.
  • the distribution of the other signal between the four outputs can be determined by reflection-free termination of the other input and reconnecting the first input to the antenna.
  • the procedure according to the invention can be such that the antennas (4), (5) and (6) are brought into their final alignment and the amounts for both the p- and the s-polarized portion of the wave of the s- and p-polarized parts of the wave and the phase difference between the s- and p-polarized parts of the waves reflected from the uncovered surface and then the amounts of the s- and p-polarized parts of the wave and the phase difference between the s- and p-polarized fractions of the waves reflected from a surface covered with a layer with a known refractive index or dielectric constant, preferably rainwater, the magnitude and phase of the reflection factors of the uncovered surface, eg a dry roadway.
  • a known refractive index or dielectric constant preferably rainwater
  • the invention furthermore relates to a measurement method carried out with the device according to the invention calibrated according to the above method, which according to the invention consists in the amounts of the s- and p-polarized portions of the wave and the phase difference between the s- and p-polarized Proportions measured with reference to the surface covered with a layer and from these measured values, taking into account the complex reflection factors of the uncovered surface, both the real and imaginary part of the refractive index or dielectric constant and the thickness of the layer can be determined.
  • This is e.g. an ongoing measurement is possible in a particularly simple, in particular fully automated manner.
  • the inputs 7 and 8 of the two power dividers 9 and 10 are connected to the two receiving antennas 5 and 6 which are polarized orthogonally to one another and which receive signals which are emitted by the transmitting antenna 4 and reflected on the surface to be examined and which are in the form of microwaves Reflection of the signals at the interface between the media 1 and 2 and also after penetration of the layer 2 on the surface of the medium 3 takes place. This occurs when the signals enter layer 2 Refraction. As a result, the signal reflected on the surface of the medium 2 and the signal reflected on the surface of the medium 3 arrive at the two receiving antennas 5 and 6 at different times.
  • the signals A and B present at the reception inputs 7 and 8 correspond to the following relationships:
  • the amplitudes A o and B o characterize the difference in reflection of the p- and s-polarized component of the electromagnetic wave, which was emitted by the transmitting antenna 4, while the angle ⁇ is the phase difference between p- and s-polarized component indicates.
  • the angles OA and OB indicate the respective phase shifts on the way of the signals from the receiving antennas 5 and 6 to the inputs 7 and 8 of the circuit having power dividers and power combiners.
  • This circuit has six power dividers, preferably 3 dB power dividers or power combiners 9 to 14, and a phase shifter 15.
  • the one outputs of the power dividers 9 and 10 are connected directly to the outputs 24 and 27.
  • the second outputs of the power dividers 9, 10 are connected to further power dividers 11 and 12.
  • the one outputs of the power dividers 11 and 12 are each connected to an input of a power combiner 13, 14.
  • the second output of the power divider 11 is connected to the power combiner 14, the other input of which is connected to the power divider 12.
  • the power divider 12 is connected to the power combiner 13 via a phase shifter 15, the other input of which is connected to the power divider 11.
  • microwave detector diodes 20 to 27 which deliver rectified RF signals to the outputs 24 to 27, but attenuators 16 to 19 are connected upstream of the detector diodes 20 to 27.
  • the attenuators are dimensioned so that the detector diodes 20 to 23 can be operated in the square area of their characteristic.
  • quadratic characteristics of the detector diodes 20 to 23 are preceded sets, voltages X, T occur which are proportional to A o 2 and B o 2 , whereby
  • T k BT • B o 2 corresponds.
  • K AX and k BT mean calibration coefficients.
  • phase difference between the input 7 and the detector diodes 21 and 22 with t ⁇ AY and ⁇ AZ and the phase difference between the input 8 and the detector diodes 21 and 22 are denoted by ⁇ BY and ⁇ BZ .
  • phase shifter 15 causes a phase shift of -90 ° and thus gives ⁇ BY ⁇ BZ - 90 °
  • the amount of the p- and s-polarized component and phase difference as well as the phase difference between p- and s-polarized component and in a further step the unambiguous determination of the quantities sought, such as a complex refractive index or dielectric constant and the thickness of the layer is possible .
  • the transmitting antenna 4 and the two receiving antennas 5 and 6 are aligned directly with one another, so that the emitted signals in the form of electromagnetic waves strike the receiving antennas 5 and 6 directly.
  • the following values are assigned to the amplitudes A o and B o during calibration:
  • a o and B o thus directly correspond to the amounts of the reflection factors.
  • the distance between the receiving antennas is denoted by D, the normal distance of the antennas from the surface of the medium 2 by H.
  • k AX 0.6402 mV
  • k AY 0.3825
  • k AZ 0.4058
  • the receiving antenna 5 is connected to the input 7 of the circuit having power dividers and power converters, and the receiving antenna 6 is connected to the input 8.
  • All calibration coefficients of the device according to the invention are now determined by means of this calibration rule and, after the antennas 4 to 6 are aligned with the surface to be measured, e.g. a roadway, the measurement of the amplitude of the p- and s-polarized portion of the transmitted signal and the phase difference between p- and s-polarized portion possible.
  • the measured voltages are carried out as follows:
  • Another goal is to determine the reflection factors of the uncovered surface of the medium 3, for example the dry road, by amount and phase, which allows the measurement of the amounts of the s and p polarization and the phase difference between the s and p polarization the surface covered with a layer of crushing or Determine the dielectric constant of the layer and the layer thickness.
  • the reflection factor r 12 can be determined in a known manner using the Fresnel formula. The size known from literature
  • ⁇ o is the free wavelength
  • d is the thickness of the layer
  • ⁇ r1 is the complex dielectric constant for the medium above surface 1, in the case of air a value of 1 as a good approximation for this value applies
  • ⁇ r2 is the complex dielectric constant for the medium of
  • the real and the imaginary part of the complex quantities r 23 for the two polarization directions p and s can be determined and thus the quantities sought, such as the complex refractive index or dielectric constant and the thickness of the layer 2, can be determined.
  • the complex reflection factor r 23 can be surprisingly determine from the complex reflection factor r 13 between the medium above the surface 1 and the medium 3, again for both polarization directions.
  • a further measurement is necessary to solve the entire system of equations and thus to be able to determine the quantities sought, such as complex refractive index and dielectric constant and thickness of the layer.
  • Three sizes are measured again, with a maximum of two further unknowns, so that the entire system of equations can be solved.
  • no artificial application of a layer and thus a blocking of the traffic area for the traffic is necessary.
  • the measured quantities are A o , B o and ⁇ ; f and g symbolize that the real and imaginary part of the quotient of the total reflection factors depend only on arg (r 13, 5 ) and d. This system of equations is so complicated that it is only numerically solved for arg ( , ) and d
  • the advantages of the device according to the invention lie in the fact that the device according to the invention requires significantly less circuitry. Since the two input signals, which come from the same source, are mixed together, this circuit is also largely insensitive to small fluctuations in the frequency of the input signals. If the transmitter is amplitude modulated, all advantages of the known synchronous detection can be exploited. For the calibration it is only necessary to align the antennas once and to carry out the measurements described above. The determination of the reflection behavior of the surface can in the concrete case of the determination of layers on traffic areas in the current loading drive, which minimizes disturbances in the flow of traffic and avoids the blocking of traffic areas.

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Abstract

An arrangement determines amplitude and phase values of two signals of differing polarisation received by two separate receiving antennas, in particular signals in the micro-wave range, of a reflectometric measurement device. In order to obtain a simple design, the receiving antennas (5, 6) are connected with the inputs of a power divider (9, 19, 11, 12) and power combiner (13, 14), the four outputs of which are connected with detectors (20, 21, 22, 23). Two connectors directly receive the signals of an associated receiving antenna (5, 6) and the two other detectors receive a mix of such signals, one of the latter detectors (21, 22) receiving a mix of such signals the phase angle of one of which is rotated. A process for calibrating this arrangement is also described.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Amplituden- und Phasengröβen in reflektometrischen Meβverfahren  Device and method for determining amplitude and phase sizes in reflectometric measurement methods
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Bestimmung von Amplituden- und Phasengröβe zweier unterschiedlich polarisierter von zwei getrennten Empfangsantennen aufgenommener Signale, insbesondere Signale im Mikrowellenbereich, einer reflektrometrischen Meβeinrichtung, sowie ein Verfahren zur Kalibrierung dieser Einrichtung. The invention relates to a device for determining the amplitude and phase size of two differently polarized signals picked up by two separate receiving antennas, in particular signals in the microwave range, a reflective measuring device, and a method for calibrating this device.
Die Refektrometrie ist ein bekanntes Meβverfahren zur Ermittlung der Brechzahl bzw. der Dielektrizitätskonstanten von Oberflächen bzw. in einer Erwiterung des Verfahrens zur Bestimmmung von Brechzahl oder Dielektrizitätskonstanten und Schichtdicke einer eine Oberfläche bedeckenden Schicht. Bei diesem Verfahren werden durch elektromagnetische Wellen gebildete Signale, meist unter spitzem Winkel, auf die zu untersuchende Oberf läche gestrahlt und die reflektierte Welle, bzw. die reflektierten Signale mittels einer geeigneten Empfängeranordnung aufgenommen und die Beträge der p- und s-polarisierten Anteile der der Signale und die Phasendifferenz zwischen dem p- und dem s-polarisiertnen Anteilen ermittelt.  Refractometry is a known measuring method for determining the refractive index or dielectric constant of surfaces or, in an extension of the method for determining refractive index or dielectric constant and layer thickness of a layer covering a surface. In this method, signals formed by electromagnetic waves, usually at an acute angle, are radiated onto the surface to be examined and the reflected wave or the reflected signals are recorded by means of a suitable receiver arrangement and the amounts of the p- and s-polarized portions of the Signals and the phase difference between the p- and the s-polarized components determined.
Wie aus der US-PS4 052 666 bekannt, treten bei der Ermittlung der gesuchten Gröβen wie den Real- und Imaginärteil der Brech- bzw. Dielektrizitätszahl sowie Dicke der die Oberfläche bedeckenden Schichte, noch weitere Unbekannte auf. Dabei handelt es sich um das Reflexionsverhalten der Oberfläche beschreibende Gröβen, z.B. im Fall, daβ sich unter der Oberfläche ein homogenes Dielektrikum befindet, um den Real- und Imaginärteil der Brech- bzw. Dielektrizitätszahl des Materials. Im allgemeinen Fall sind aber fünf unbekannte Gröβen an der Messung beteiligt. Selbst wenn das empfangene Signal in zwei zueinander orthogonalen Richtungen polarisiert ist und nach Betrag und Phasendiffernez analysiert wird, verbleiben zumindest zwei aus den vorhandenen Daten nicht bestimmbare Gröβen, sodaβ das gesamte Gleichungssystem unbestimmt bleibt, bzw. von bestimmten Annahmen ausgegangen werden muβ, wodurch sich entsprechende Fehler ergeben können.  As is known from US Pat. No. 4,052,666, other unknowns occur when determining the quantities sought, such as the real and imaginary parts of the refractive index or dielectric constant and the thickness of the layer covering the surface. These are quantities describing the reflection behavior of the surface, e.g. in the case that there is a homogeneous dielectric under the surface, around the real and imaginary part of the refractive index or dielectric constant of the material. In the general case, five unknown sizes are involved in the measurement. Even if the received signal is polarized in two mutually orthogonal directions and analyzed for magnitude and phase difference, there remain at least two quantities that cannot be determined from the available data, so that the entire system of equations remains indeterminate, or certain assumptions have to be made, which means that corresponding ones Errors can result.
Besteht jedoch die Möglichkeit das Reflexionsverhalten der Oberfläche allein nach Betrag und Phasendifferenz zu bestimmen, so kann die komplexe Brech- bzw. Dielektrizitäts zahl der Oberfläche getrennt ermittelt werden. Mit der Kenntnis dieser Gröβen ist es in einer nachfolgenden Messung, bei Vorhandensein einer die Oberfläche bedeckenden Schicht, möglich, auch die restlichen Unbekannten eindeutig zu bestimmen. However, if it is possible to determine the reflection behavior of the surface solely on the basis of magnitude and phase difference, then the complex refractive index or dielectric can number of surfaces can be determined separately. With the knowledge of these variables, it is possible in a subsequent measurement, in the presence of a layer covering the surface, to also clearly determine the remaining unknowns.
Begrenzt die Oberfläche jedoch ein inhomognes Material, so kann das Reflexionsverhalten der Oberfläche nicht mehr durch die komplexe Brech- bzw. Dielektrizitätszahl charakterisiert werden. In diesem Fall kann das Reflexionsverhalten einer elektromagnetischen Welle nur mehr durch zwei komplexe Reflexionsfaktoren, jeweils für den p- und den s-polari- sierten Anteil der Welle beschrieben werden. Damit ergeben sich vier Unbekannte, die aus den drei Meβgröβen, u.zw. Amplitude des p- und des s-polarisierten Anteiles sowie die Phasendifferenz zwischen diesen Anteilen, nicht direkt bestimmt werden können. Die gleiche Schwierigkeit tritt auch auf, wenn die getrennte Ermittlung des Reflexionsverhaltens der Oberfläche nicht möglich ist.  However, if the surface delimits an inhomogeneous material, the reflection behavior of the surface can no longer be characterized by the complex refractive index or dielectric constant. In this case, the reflection behavior of an electromagnetic wave can only be described by two complex reflection factors, each for the p- and s-polarized portion of the wave. This results in four unknowns, which consist of the three measurement sizes, etc. The amplitude of the p- and s-polarized components and the phase difference between these components cannot be determined directly. The same difficulty also arises when it is not possible to separately determine the reflection behavior of the surface.
Wenn z.B. Mikrowellenreflektometrie zur Bestimmung der Beschaffenheit und der Dicke von Verkehrsflächen bedeckenden Schichten, wie Wasser, Salzlösungen, Eis, Schnee, usw. angewandt wird, wie dies aus der PCT/AT 84/00041 vorgeschlagen wird, so kann die Fahrbahn im allgemeinen nicht als homogenes Medium betrachtet werden. Es tritt daher die oben beschriebene Schwierigkeit bei der Bestimmung der gesuchten Gröβen, wie den Real- und den Imaginärteil der Brech- bzw. Dielektrizitätszahl und die Dicke der die Verkehrsfläche bedeckenden Schicht auf.  If e.g. Microwave reflectometry for determining the nature and thickness of layers covering traffic areas, such as water, saline solutions, ice, snow, etc., as is proposed by PCT / AT 84/00041, the roadway can generally not be considered as a homogeneous medium to be viewed as. The difficulty described above therefore arises when determining the sizes sought, such as the real and imaginary parts of the refractive index or dielectric constant and the thickness of the layer covering the traffic area.
Ziel der Erfindung ist es daher eine Einrichtung vorzuschlagen, mit der die Bestimmung einer ausreichenden Anzahl von Meβgröβen möglich ist, um mit einem geeigneten Kalibrier- und Auswerteverfahren die Brech- bzw. Dielekrizitätszahl und die Schichtdicke ermitteln zu können.  The aim of the invention is therefore to propose a device with which it is possible to determine a sufficient number of measurement sizes in order to be able to determine the refractive index or dielectric constant and the layer thickness using a suitable calibration and evaluation method.
Erfindungsgemäβ wird dies dadurch erreicht, daβ die Empfangsantennen mit den Eingängen einer Leistungsteiler und Leistungsvereiniger aufweisenden Schaltung verbunden sind deren vier Ausgänge mit Detektoren verbunden sind, von denen zwei mit den Signalen je einer zugeordneten Empfangsantenne direkt, und die beiden anderen mit einem Gemisch dieser Signale beaufschlagt sind, wobei einer dieser letzteren Detektoren mit einem Gemisch dieser Signale beaufschlagt ist, bei dem eines der beiden Signale in seiner Phase gedreht ist.  This is achieved in accordance with the invention in that the receiving antennas are connected to the inputs of a circuit having a power divider and power combiner, the four outputs of which are connected to detectors, two of which directly apply the signals to an associated receiving antenna and the other two to a mixture of these signals are, wherein one of these latter detectors is subjected to a mixture of these signals, in which one of the two signals is rotated in phase.
Durch diese Maβnahmen gelingt es die unterschiedliche Reflexion des p- und des s-polarisierten Anteils der das Signal bildenden elektromagnetischen Welle nach den folgenden Beziehungen Through these measures the different succeed Reflection of the p- and s-polarized portion of the electromagnetic wave forming the signal according to the following relationships
A = Ao • s in ( ω t +φ ) und A = A o • s in (ω t + φ) and
B = Bo • sin(ωt) B = B o • sin (ωt)
den Beträgen Ao und Bo und der Phasendifferenz φ nach zu ermitteln. according to the amounts A o and B o and the phase difference φ.
An den Detektoren sind vier verschiedene Spannungen abgreifbar aus denen, wie noch an Hand der Figurenbeschreibung erläutert werden wird, unter Berücksichtung von Kalibrierungskoeffizienten die Beträge der Reflexionsfaktoren für den p- und s-polarisierten Anteil der Welle und die Phasendifferenz zwischen dem p- und dem s-polarisierten Anteil der Welle, wie ebenfalls noch an Hand der Figurenbeschreibung erläutert werden wird, ermittelt werden können.  Four different voltages can be tapped from the detectors, from which, as will be explained with reference to the description of the figures, taking into account calibration coefficients, the amounts of the reflection factors for the p- and s-polarized portion of the wave and the phase difference between the p- and the s -polarized portion of the wave, as will also be explained with reference to the description of the figures, can be determined.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorgesehen sein, daβ die eingangsseitig mit den Empfangsantennen verbundenen Leistungsteiler mit ihren einen Ausgängen mit je einen Detektor verbunden sind und die zweiten Ausgänge dieser Leistungsteiler mit den Eingängen weiterer Leistungsteiler verbunden sind, deren eine Ausgänge mit einem Eingang je eines zugeordneten Leistungsvereinigers und jeder der zweiten Ausgänge der Leistungsteiler mit jenem Leistungsvereiniger verbunden ist, dessen anderer Eingang mit dem anderen Leistungsteiler verbunden ist, wobei in mindestens einer dieser Leitungen ein Phasenschieber angeordnet ist und die Ausgänge der Leistungsvereiniger mit Detektoren verbunden sind.  According to a further feature of the invention, it can be provided that the power dividers connected on the input side to the receiving antennas are connected with their one outputs to one detector each and the second outputs of these power dividers are connected to the inputs of further power dividers, the one outputs of which each have an input assigned power combiner and each of the second outputs of the power divider is connected to that power combiner whose other input is connected to the other power divider, a phase shifter being arranged in at least one of these lines and the outputs of the power combiner being connected to detectors.
Auf diese Weise ergibt sich ein sehr einfacher Aufbau der erfindungsgemäβen Einrichtung.  This results in a very simple construction of the device according to the invention.
Weiters kann vorgesehen sein, daβ den Detektoren, die vorzugsweise durch Dioden gebildet sind, Abschwächer vorgeschaltet sind.  It can further be provided that attenuators are connected upstream of the detectors, which are preferably formed by diodes.
Durch diese Maβnahmen ist es möglich das den Detektoren zugeführte Signal auf Werte zu begrenzen, die in einem bestimmten Abschnitt der Kennlinie des Detektors liegen. Dadurch werden Fehler aufgrund von Abweichungen von einer angenommenen Kennlinie vermieden. So kann z.B. bei Detektoren mit einer in einem bestimmten Bereich praktisch quadratischen Kennlinie durch die vorgeschlagenen Maβnahmen sichergestellt werden, daβ die an die Detektoren anliegenden Signale in die sem Bereich liegen. These measures make it possible to limit the signal supplied to the detectors to values that lie in a specific section of the characteristic curve of the detector. This avoids errors due to deviations from an assumed characteristic. For example, in the case of detectors with a characteristic curve that is practically square in a certain area, the measures proposed can ensure that the signals applied to the detectors enter the range.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorgesehen sein, daβ der zwischen dem einen Leistungsteiler und einem Leistungsvereiniger eingeschaltete Phasenschieber eine Phasenverschiebung von -90° bewirkt.  According to a further feature of the invention it can be provided that the phase shifter connected between the one power divider and a power combiner causes a phase shift of -90 °.
Durch diese Maβnahemen ergeben sich im Hinblick auf die Ermittlung der die Reflektion beschreibenden Daten besonders einfache Verhältnisse.  These measures result in particularly simple relationships with regard to the determination of the data describing the reflection.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kalibrierung der erfindungsgemäβen Einrichtung vorzuschlagen.  Another object of the invention is to propose a method for calibrating the device according to the invention.
Erfindungsgemäβ wird hiezu vorgeschlagen, daβ in einem ersten Schritt die Empfangsantennen und die Sendeantenne, die beide Polarisationsrichtungen anregt, gegenseitig aufeinander ausgerichtet werden.  According to the invention, it is proposed that in a first step the receiving antennas and the transmitting antenna, which excite both polarization directions, are mutually aligned.
Um den dadurch bei der Kalibrierung gegenüber der Messung der Reflexionsfaktoren kürzeren Ausbreitungsweg zwischen Sende- und Empfangsantennen zu berücksichtigen, müssen die Amplituden A und B auf
Figure imgf000006_0001
In order to take into account the shorter path of propagation between transmitting and receiving antennas when calibrating compared to measuring the reflection factors, the amplitudes A and B must be on
Figure imgf000006_0001
normiert werden, wobei D den Abstand zwischen den Antennen und H den Normalabstand der Empfangsantennen von der Oberfläche, deren Reflexion untersucht werden soll, bedeuten. Durch diese Normierung wird erreicht, daβ bei der späteren Reflexionsmessung die Amplituden Ao und Bo direkt den Beträgen der Reflexionsfaktoren entsprechen.  are normalized, where D is the distance between the antennas and H is the normal distance of the receiving antennas from the surface whose reflection is to be examined. This standardization ensures that the amplitudes Ao and Bo correspond directly to the amounts of the reflection factors in the later reflection measurement.
Nun wird einer der im Betriebszustand mit einer Antenne verbundenen Eingänge reflexionsfrei abgeschlossen und damit eines der Eingangssignale, z.B. B, gleich 0 gesetzt, um durch eine Messung der Spannungen an den vier Ausgängen mit Detektordioden die Aufteilung des anderen Signals, in diesem Fall A, auf die vier Ausgänge zu bestimmen.  Now one of the inputs connected to an antenna in the operating state is terminated without reflection and thus one of the input signals, e.g. B, set to 0, in order to determine the distribution of the other signal, in this case A, between the four outputs by measuring the voltages at the four outputs with detector diodes.
Durch reflexionsfreien Abschluβ des anderen Eingangs und wieder Verbinden des ersten Eingangs mit der Antenne kann in einem weiteren Schritt die Aufteilung des anderen Signals auf die vier Ausgänge bestimmt werden.  In a further step, the distribution of the other signal between the four outputs can be determined by reflection-free termination of the other input and reconnecting the first input to the antenna.
In einem letzten Schritt der Kalibrierung, bei dem die Antennen immer noch direkt aufeinander ausgerichtet sind, werden wieder beide Eingänge mit den jeweiligen Antennen ver bunden. Da in diesem Fall keine Reflexion stattfindet, beträgt auch die Phasenverschiebung φ = 0 und es können sämtliche Phasenverschiebungen innerhalb der Empfangserhaltung ermittelt werden. In a last step of the calibration, in which the antennas are still aligned directly with one another, both inputs are again connected to the respective antennas bound. Since there is no reflection in this case, the phase shift is also φ = 0 and all phase shifts can be determined within the reception maintenance.
In Weiterbildung dieses Verfahrens kann erfindungsgemäβ noch so vorgegangen werden, daβ sowohl für den p -, als auch für den s - polarisierten Anteil der Welle die Antennen (4), (5) und (6) in ihre endgültige Ausrichtung gebracht werden und die Beträge der s- und p- polarisierten Anteile der Welle und die Phasendifferenz zwischen den s- und p- polarisierten Anteilen der von der unbedeckten Oberfläche reflektierten Wellen und danach die Beträge der s- und p- polarisierten Anteile der Welle und die Phasendifferenz zwischen den s- und p- polarisierten Anteilen der von einer mit einer Schicht mit bekannter Brech- bzw. Dielektrizitätszahl, vorzugsweise Regenwasser, bedeckten Oberfläche reflektierten Wellen gemessen werden, wobei aus diesen Meβwerten Betrag und Phase der Reflexionsfaktoren der unbedeckten Oberfläche, z.B. einer trockenen Fahrbahn, ermittelt wird. Hiedurch liegen alle Festparameter vor, welche nachfolgenden laufenden Messungen (Betriebszustand) dienen.  In a further development of this method, the procedure according to the invention can be such that the antennas (4), (5) and (6) are brought into their final alignment and the amounts for both the p- and the s-polarized portion of the wave of the s- and p-polarized parts of the wave and the phase difference between the s- and p-polarized parts of the waves reflected from the uncovered surface and then the amounts of the s- and p-polarized parts of the wave and the phase difference between the s- and p-polarized fractions of the waves reflected from a surface covered with a layer with a known refractive index or dielectric constant, preferably rainwater, the magnitude and phase of the reflection factors of the uncovered surface, eg a dry roadway. As a result, all fixed parameters are available, which serve subsequent ongoing measurements (operating status).
Ferner ist Gegenstand der Erfindung, ein Meβverfahren, durchgeführt mit der nach dem vorstehenden Verfahren kalibrierten, erfindungsgemäβen Einrichtung, das erfindungsgemäβ darin besteht, daβ die Beträge der s- und p- polarisierten Anteile der Welle und die Phasendifferenz zwischen den s- und p- polarisierten Anteilen mit Bezug auf die mit einer Schicht bedeckten Oberfläche gemessen und aus diesen Meβwerten unter Berücksichtigung der komplexen Reflexionsfaktoren der unbedeckten Oberfläche sowohl Real- und Imaginärteil der Brech- bzw. Dielektrizitätszahl als auch die Dicke der Schicht ermittelt werden. Hiedurch ist z.B. eine laufende Messung in besonders einfacher insbesondere vollständig automatisierter Weise möglich.  The invention furthermore relates to a measurement method carried out with the device according to the invention calibrated according to the above method, which according to the invention consists in the amounts of the s- and p-polarized portions of the wave and the phase difference between the s- and p-polarized Proportions measured with reference to the surface covered with a layer and from these measured values, taking into account the complex reflection factors of the uncovered surface, both the real and imaginary part of the refractive index or dielectric constant and the thickness of the layer can be determined. This is e.g. an ongoing measurement is possible in a particularly simple, in particular fully automated manner.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäβem Einrichtung zeigt.  The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing, which shows an embodiment of a device according to the invention.
Die Eingänge 7 und 8 der beiden Leistungsteiler 9 und 10 sind mit den beiden othogonal zueinander polarisierten Empfangsantennen 5 und 6 verbunden, die von der Sendeantenne 4 abgestrahlte und an der zu untersuchenden Oberfläche reflektierte Signal, die in Form von Mikrowellen vorliegen, empfangen, wobei die Reflexion der Signale an der Grenzfläche zwischen den Medien 1 und 2 und auch nach Durchdringung der Schichte 2 an der Oberfläche des Mediums 3 erfolgt. Dabei kommt es beim Eintreten der Signale in die Schichte 2 zu einer Brechung. Dadurch trifft das an der Oberfläche des Mediums 2 reflektierte Signal und das an der Oberfläche des Mediums 3 reflektierte Signal zu verschiedenen Zeiten bei den beiden Empfangsantennen 5 und 6 ein. The inputs 7 and 8 of the two power dividers 9 and 10 are connected to the two receiving antennas 5 and 6 which are polarized orthogonally to one another and which receive signals which are emitted by the transmitting antenna 4 and reflected on the surface to be examined and which are in the form of microwaves Reflection of the signals at the interface between the media 1 and 2 and also after penetration of the layer 2 on the surface of the medium 3 takes place. This occurs when the signals enter layer 2 Refraction. As a result, the signal reflected on the surface of the medium 2 and the signal reflected on the surface of the medium 3 arrive at the two receiving antennas 5 and 6 at different times.
Die an den Empfangseingängen 7 und 8 anliegenden Signale A und B entsprechen dabei den folgenden Beziehungen:  The signals A and B present at the reception inputs 7 and 8 correspond to the following relationships:
A = Ao • sin(ω t + φOA +φ) und A = A o • sin (ω t + φ OA + φ) and
B = Bo • cos(ωt +φOB) B = B o • cos (ωt + φ OB )
Die Amplituden Ao und Bo charakterisieren dabei die unterschiedliche Reflexion des p- und s-polarisierten Anteil der elektromagnetischen Welle, die von der Sendeantenne 4 ausgesandt wurde, dem Betrage nach, während der Winkel φ die Phasendifferenz zwischen p- und s-polarisiertem Anteil angibt. Die Winkel OA und OB geben die jeweiligen Phasenverschiebungen auf dem Weg der Signale von den Empfangsantennen 5 bzw. 6 bis zu den Eingängen 7 bzw. 8 der Leistungsteiler und Leistungsvereiniger aufweisende Schaltung an. The amplitudes A o and B o characterize the difference in reflection of the p- and s-polarized component of the electromagnetic wave, which was emitted by the transmitting antenna 4, while the angle φ is the phase difference between p- and s-polarized component indicates. The angles OA and OB indicate the respective phase shifts on the way of the signals from the receiving antennas 5 and 6 to the inputs 7 and 8 of the circuit having power dividers and power combiners.
Diese Schaltung weist sechs Leistungsteiler, vorzugsweise 3-dB Leistungsteiler bzw. Leistungsvereiniger 9 bis 14, sowie einen Phasenschieber 15 auf.  This circuit has six power dividers, preferably 3 dB power dividers or power combiners 9 to 14, and a phase shifter 15.
Dabei stehen die einen Ausgänge der Leistungsteiler 9 und 10 direkt mit den Ausgängen 24 und 27 in Verbindung. Die zweiten Ausgänge der Leistungsteiler 9, 10 sind mit weiteren Leistungsteilern 11 und 12 verbunden. Die einen Ausgänge der Leistungsteiler 11 und 12 sind mit einem Eingang je eines Leistungsvereinigers 13, 14 verbunden. Der zweite Ausgang des Leistungsteilers 11 ist dabei mit dem Leistungsvereiniger 14 verbunden, dessen anderer Eingang mit dem Leistungsteiler 12 verbunden ist. Der Leistungsteiler 12 ist über einen Phasenschieber 15 mit dem Leistungsvereiniger 13 verbunden, dessen anderer Eingang mit dem Leistungsteiler 11 verbunden ist.  The one outputs of the power dividers 9 and 10 are connected directly to the outputs 24 and 27. The second outputs of the power dividers 9, 10 are connected to further power dividers 11 and 12. The one outputs of the power dividers 11 and 12 are each connected to an input of a power combiner 13, 14. The second output of the power divider 11 is connected to the power combiner 14, the other input of which is connected to the power divider 12. The power divider 12 is connected to the power combiner 13 via a phase shifter 15, the other input of which is connected to the power divider 11.
Weiters sind vier Mikrowellen-Detektordioden 20 bis 27 vorgesehen, die gleichgerichtete HF-Signale an die Ausgänge 24 bis 27 liefern, wobei jedoch Abschwächer 16 bis 19 den Detektordioden 20 bis 27 vorgeschaltet sind.  Furthermore, four microwave detector diodes 20 to 27 are provided, which deliver rectified RF signals to the outputs 24 to 27, but attenuators 16 to 19 are connected upstream of the detector diodes 20 to 27.
Die Abschwächer sind dabei so dimensioniert, daβ die Detektordioden 20 bis 23 im quadratischen Bereich ihrer Kennlinie betrieben werden können. Am Ausgang 24 und 27 werden, quadratische Kennlinien der Detektordioden 20 bis 23 vorausge setzt, Spannungen X, T auftreten, die proportional Ao 2 und Bo 2 proportional sind, wobei The attenuators are dimensioned so that the detector diodes 20 to 23 can be operated in the square area of their characteristic. At the outputs 24 and 27, quadratic characteristics of the detector diodes 20 to 23 are preceded sets, voltages X, T occur which are proportional to A o 2 and B o 2 , whereby
X = kAX • Ao 2 und X = k AX • A o 2 and
T = kBT • Bo 2 entspricht. Dabei bedeuten kAX und kBT Kalibrierungskoeffizienten. T = k BT • B o 2 corresponds. K AX and k BT mean calibration coefficients.
Die Ausgangsspannungen an den Ausgängen Y und Z betragen, wieder quadratische Kennlinien der Detektordioden 21 und 22 vorausgesetzt,  The output voltages at the outputs Y and Z are again provided that the characteristic curves of the detector diodes 21 and 22 are square,
Y = kAY 2Ao 2 + kBY 2 Bo 2 + 2kAY kBYAoBo COS (φ + ( φ A O - φ BO ) +Y = k AY 2 A o 2 + k BY 2 B o 2 + 2k AY k BY A o B o COS (φ + (φ AO - φ BO ) +
AYBY)) und AYBY )) and
Z = kAZ 2Ao 2 + kBZ 2Bo 2 + 2 kAZkBZAoBo cos (φ + (φ AOBO) +Z = k AZ 2 A o 2 + k BZ 2 B o 2 + 2 k AZ k BZ A o B o cos (φ + (φ AOBO ) +
AZ - φ BZ)) AZ - φ BZ ))
wobei die Phasendiffernz zwischen dem Eingang 7 und den Detektordioden 21 und 22 mi t φ AY und φ AZ und die Phasendifferenz zwischen dem Eingang 8 und den Detektordioden 21 und 22 mit φBY und φBZ bezeichnet sind. wherein the phase difference between the input 7 and the detector diodes 21 and 22 with t φ AY and φ AZ and the phase difference between the input 8 and the detector diodes 21 and 22 are denoted by φ BY and φ BZ .
Berücksichtigt man nun, daβ abgesehen von Fertigungstoleranzen φAY , φAZ und φBZ gleich groβ sind und der Phasenschieber 15 eine Phasenverschiebung von -90° bewirkt und somit gibt φBY φBZ - 90° kann man schreiben Now take into account that apart from manufacturing tolerances φ AY , φ AZ and φ BZ are the same size and the phase shifter 15 causes a phase shift of -90 ° and thus gives φ BY φ BZ - 90 °
AZ - φB Z ) - (φRYB Y ) = -90° + ε wobei ε einen kleinen Winkel beschreibt, der sämtliche der erwähnten Fertigungstoleranzen des Leistungsteilers 9 bis 14, der Abschwächer 16 bis 19 und des Phasenschiebers 15 umfaβt. AZ - φ BZ ) - (φ RYBY ) = -90 ° + ε where ε describes a small angle that includes all of the manufacturing tolerances mentioned for the power divider 9 to 14, the attenuators 16 to 19 and the phase shifter 15.
Führt man weiters die Bezeichnung If you continue with the designation
Δφ= (φAOBO) + (φAYBY) Δφ = (φ AOBO ) + (φ AYBY )
ein, so ergeben sich für die Ausgangsspannungen Y und Z an den Ausgängen 25 und 26 die einfacheren Beziehungen  a, the simpler relationships result for the output voltages Y and Z at the outputs 25 and 26
Y = kAY 2Ao 2 + kBY 2Bo 2 + 2kAYkBYAoBocos(φ+Δφ) und Y = k AY 2 A o 2 + k BY 2 B o 2 + 2k AY k BY A o B o cos (φ + Δφ) and
Z = kAZ 2Ao 2 + kBZ 2Bo 2 + 2kAZkBZAoBosin(φ+Δφ + ε) wobei wieder vorausgesetzt ist, daβ die Detektordioden 21 und 22 im quadratischen Bereich der Kennlinie betrieben werden. Z = k AZ 2 A o 2 + k BZ 2 B o 2 + 2k AZ k BZ A o B o sin (φ + Δφ + ε) it is again assumed that the detector diodes 21 and 22 are operated in the square region of the characteristic.
Bei dem aus der Zeichnung ersichtlichen Empfängernetzwerkes stehen an dessen Ausgängen 24 bis 27 elektrische Spannungen X, Y, Z und T zur Verfügung, mit deren Hilfe die eindeutige Bestimmung der Amplituden Ao und Bo sowie der Phasendifferenz φ möglich ist, sofern die Kalirierungskoeffi- zienten kAX, kAY, kBY, kAZ, kBZ, kBT,Δφ und ε bekannt sind. In the receiver network shown in the drawing, 24 to 27 electrical voltages X, Y, Z and T are available at its outputs, with the aid of which the amplitudes A o and B o as well as the phase difference φ can be clearly determined, provided that the calibration coefficient cient k AX , k AY , k BY , k AZ , k BZ , k BT , Δφ and ε are known.
Mit Hilfe eines erfindungsgemäβen Verfahrens zur Kalibrierung der in der Zeichnung dargestellten Einrichtung und Bestimmung der drei Meβgröβen u.zw. den Betrag des p- und des s-polarisierten Anteils und Phasendifferenz sowie die Phasendiffernz zwischen p- und s-polarisierten Anteil und in einem weiteren Schritt die eindeutige Bestimmung der gesuchten Gröβen, wie komplexe Brech- bzw. Dielektrizitätszahl und die Dicke der Schicht möglich ist.  With the aid of a method according to the invention for calibrating the device shown in the drawing and determining the three measurement sizes, etc. the amount of the p- and s-polarized component and phase difference as well as the phase difference between p- and s-polarized component and in a further step the unambiguous determination of the quantities sought, such as a complex refractive index or dielectric constant and the thickness of the layer is possible .
Zur Durchführung des erfindungsgemäβen Kalibrierungsverfahrens werden die Sendeantenne 4 und die beiden Empfangsantennen 5 und 6 direkt aufeinander ausgerichtet, sodaβ die ausgesandten Signale in Form von elektromagnetischen Wellen, direkt auf die Empfangsantennen 5 und 6 auftreffen. Bei der Kalibrierung werden den Amplituden Ao und Bo die folgenden Werte zugewiesen:
Figure imgf000010_0001
To carry out the calibration method according to the invention, the transmitting antenna 4 and the two receiving antennas 5 and 6 are aligned directly with one another, so that the emitted signals in the form of electromagnetic waves strike the receiving antennas 5 and 6 directly. The following values are assigned to the amplitudes A o and B o during calibration:
Figure imgf000010_0001
Dadurch entsprechen bei einer späteren Reflexionsmessung Ao und Bo direkt den Beträgen der Reflexionsfaktoren. Der Abstand zwischen den Empfangsantennen ist dabei mit D, der Normalabstand der Antennen von der Oberfläche des Mediums 2 mit H bezeichnet. In a later reflection measurement A o and B o thus directly correspond to the amounts of the reflection factors. The distance between the receiving antennas is denoted by D, the normal distance of the antennas from the surface of the medium 2 by H.
Betragen beispielsweise D = 10m und H = 4m, so muβ den Amplituden der Wert 1.2806 zugewiesen werden.  For example, if D = 10m and H = 4m, the amplitudes must be assigned the value 1.2806.
Als erstes wird die Empfangsantenne 5 mit dem Eingang 7 der Leistungsteiler und Leistungsvereiniger aufweisenden Schaltung verbunden und der zweite Eingang 8 reflexionsfrei abgeschlossen. Da dadurch das Signal B = 0 ist, ergeben sich aus dieser Messung die Kalibrierkoeffizienten kAX , kAY und kAZ : X = kAX • Ao 2 Y = kAY 2 • Ao 2 First, the receiving antenna 5 is connected to the input 7 of the circuit having power dividers and power converters, and the second input 8 is terminated without reflection. Since the signal B = 0, the calibration coefficients k AX , k AY and k AZ result from this measurement: X = k AX • A o 2 Y = k AY 2 • A o 2
Z = kAZ 2 • Ao 2 Z = k AZ 2 • A o 2
T = 0 T = 0
Figure imgf000011_0001
Figure imgf000011_0001
Betragen die Spannungen beispielsweise X = 1.05 mV, Y = 0.24 mV und Z = 0.27 mV, so ergeben sich für Kalibrierungskoeffizienten If the voltages are, for example, X = 1.05 mV, Y = 0.24 mV and Z = 0.27 mV, the result for calibration coefficients
kAX = 0.6402 mV, kAY = 0.3825 und kAZ = 0.4058
Figure imgf000011_0004
k AX = 0.6402 mV, k AY = 0.3825 and k AZ = 0.4058
Figure imgf000011_0004
Figure imgf000011_0003
Wird umgekehrt der Eingang 7 reflexionsfrei abgeschlossen und die Empfangsantenne 6 mit dem Eingang 8 verbunden, so können analog die Kalibrierungskoeffizienten kBY, kBZ und kBT ermittelt werden.
Figure imgf000011_0003
Conversely, if input 7 is closed without reflection and the receiving antenna 6 is connected to input 8, the calibration coefficients k BY , k BZ and k BT can be determined analogously.
X = 0 X = 0
Y = kBY 2Bo2 Y = k BY 2 B o 2
Z = kBZ2 Bo2 Z = k BZ 2 B o 2
T = kBTBo2T = k BT B o 2
Figure imgf000011_0002
Figure imgf000011_0002
Betragen die Spannungen beispielsweise Y = 0.25 mV, Z = 0.26 mV und T = 0.95 mV, so ergeben sich die Kalibrierkoeffizienten  For example, if the voltages are Y = 0.25 mV, Z = 0.26 mV and T = 0.95 mV, the calibration coefficients result
kBY = 0.3904 kBZ = 0.3982 und kBT = 0.5793
Figure imgf000011_0005
k BY = 0.3904 k BZ = 0.3982 and k BT = 0.5793
Figure imgf000011_0005
mV.
Figure imgf000011_0006
mV.
Figure imgf000011_0006
In einem dritten Schritt wird die Empfangsantenne 5 mit dem Eingang 7 der Leistungsteiler und Leistungsvereiniger aufweisenden Schaltung und die Empfangsantenne 6 mit dem Eingang 8 verbunden. Aus dieser Messung ergeben sich die noch verbleibenden unbekannten Kalibrierungskoeffizienten Δφ und ε, da in diesem Fall φ = 0 gilt: Y = kAY 2Ao 2 + kBYBo 2 + 2 kAYkBYAoBo cos(Aφ ), In a third step, the receiving antenna 5 is connected to the input 7 of the circuit having power dividers and power converters, and the receiving antenna 6 is connected to the input 8. The remaining unknown calibration coefficients Δφ and ε result from this measurement, since in this case φ = 0: Y = k AY 2 A o 2 + k BY B o 2 + 2 k AY k BY A o Bo cos (Aφ),
Y - kAY 2Ao 2 ~ kBY 2Bo 2 Y - k AY 2 A o 2 ~ k BY 2 B o 2
Ao = Bo cos Δφ = ------------------------------------
Figure imgf000012_0002
2kAYkBY AoBo
Ao = Bo cos Δφ = ------------------------------------
Figure imgf000012_0002
2k AY k BY A o B o
Z = kAZ 2Ao 2 + kBZ 2Bo 2 + 2kAZkBZAoBo sin (Δφ + ε), Z = k AZ 2 A o 2 + k BZ 2 B o 2 + 2k AZ k BZ A o B o sin (Δφ + ε),
Z-kAZ 2Ao2-kBZ 2Bo 2 Zk AZ 2 Ao 2 -k BZ 2 B o 2
Ao = Bo sin (Δφ + ε) = -------------------------------
Figure imgf000012_0003
2kAZkBZAoBo und daraus Δφ und ε ermittelt werden können.
Ao = B o sin (Δφ + ε) = -------------------------------
Figure imgf000012_0003
2k AZ k BZ A o B o and from this Δφ and ε can be determined.
Betragen die Spannungen beispielsweise Y = 0.18 mV  For example, if the voltages are Y = 0.18 mV
und Z = 0.92 mV, so ergeben sich cos (Δφ ) = - 0.6327 und sin and Z = 0.92 mV, we get cos (Δφ) = - 0.6327 and sin
(Δφ + ε) = 0.7356. Aus cos (Δφ ) = - 0.6327 folgt nun, daβ (Δφ + ε) = 0.7356. From cos (Δφ) = - 0.6327 it now follows that
= 129,25° oder -129,25° sein kann. Da aber sin (Δφ + ε ) » 0, = 129.25 ° or -129.25 °. But since sin (Δφ + ε) »0,
kommt nur Δφ = 129,25° als Lösung in Frage. Analog folgt aus only Δφ = 129.25 ° is possible as a solution. Analogously it follows
sin (Aφ + ε ) = 0.7356 und cos (Δφ ) « 0, daβ Δφ + ε = 132,64° sin (Aφ + ε) = 0.7356 and cos (Δφ) «0 that Δφ + ε = 132.64 °
und damit ε = 132,64° -Δφ = 3.39°. and thus ε = 132.64 ° -Δφ = 3.39 °.
Durch diese Kalibrierungsvorschrift werden nun sämtliche Kalibrierungskoeffizienten der erfindungsgemäβen Einrichtung ermittelt und damit ist nach dem Ausrichten der Antennen 4 bis 6 auf die zu messende Oberfläche, z.B. eine Fahrbahn, die Messung der Amplitude des p- und s-polarisierten Anteiles des ausgesandten Signales und der Phasendifferenz zwischen p- und s-polarisiertem Anteil möglich.  All calibration coefficients of the device according to the invention are now determined by means of this calibration rule and, after the antennas 4 to 6 are aligned with the surface to be measured, e.g. a roadway, the measurement of the amplitude of the p- and s-polarized portion of the transmitted signal and the phase difference between p- and s-polarized portion possible.
Für die Berechnung der Gröβen Ao , Bo und φ aus den For the calculation of the sizes A o , B o and φ from the
gemessenen Spannungen wird dabei folgendermaβen vorgegangen: The measured voltages are carried out as follows:
Zuerst werden die Amplituden Ao und Bo aus den Ausgangsspannungen X und T ermittelt: First the amplitudes A o and B o are determined from the output voltages X and T:
X = kAX Ao 2 X = k AX A o 2
T = kBT Bo 2 T = k BT B o 2
Figure imgf000012_0001
Figure imgf000012_0001
Damit können aus den Ausgangsspannungen Y und Z Y - kAY 2Ao 2 - kBYBo 2 So that from the output voltages Y and Z Y - k AY 2 A o 2 - k BY B o 2
COS (φ +Δφ ) = ------------------------------------------------- COS (φ + Δφ) = ------------------------------------------- ------
2kAY kBY Ao Bo 2k AY k BY A o B o
Z-kAZ 2Ao 2 - kBZ 2Bo 2 Zk AZ 2 A o 2 - k BZ 2 B o 2
sin (φ +Δφ ε) = ------------------------------------------------------- sin (φ + Δφ ε) = ------------------------------------------ -------------
2kAZkBZAo Bo 2k AZ k BZ A o B o
berechnet werden. Mit der Beziehung  be calculated. With the relationship
sin ( φ +Δφ + ε ) = sin (φ +Δφ )• cos ε + cos (φ +Δφ )•sin ε sin ( φ +Δφ + ε) - cos (φ +Δφ)•sin ε sin (φ+Δφ) = ---------------------------------------------------------------- erhalt man  sin (φ + Δφ + ε) = sin (φ + Δφ) • cos ε + cos (φ + Δφ) • sin ε sin (φ + Δφ + ε) - cos (φ + Δφ) • sin ε sin (φ + Δφ) = ----------------------------------------------- ----------------- you get
s in ( φ +Δφ ) 1 s in ( φ +Δ φ + ε )  s in (φ + Δφ) 1 s in (φ + Δ φ + ε)
tan ( φ +Δ φ ) = ------------------------- = --------- ------------------------------- - tan ε cos ( φ +Δφ ) cos ε cos ( φ +Δφ )  tan (φ + Δ φ) = ------------------------- = --------- ------- ------------------------ - tan ε cos (φ + Δφ) cos ε cos (φ + Δφ)
Aus tan ( φ + Δφ ) und cos ( φ +Δφ ) kann φ + Δφ und damit φ eindeutig bestimmt werden.  From tan (φ + Δφ) and cos (φ + Δφ) φ + Δφ and thus φ can be clearly determined.
Betragen beispielsweise die Ausgangsspannungen X = 0.0250 mV, Y = 0.0696 mV, Z = 0.0634 mV und T = 0.1450 mV so ergeben sich Ao = 0.1976 und Bo = 0.5003. Weiters erhält man cos (φ +Δφ) = 0.8718 und sin (φ +Δφ + ε) = 0.5409 und damit tan (φ +Δφ) = 0.5623. Da cos (φ +Δφ) > 0 ergibt sich aus tan (φ + Δφ)= 0.6095 für φ +Δφ = 29,34° und für φ = 99,9°. For example, if the output voltages are X = 0.0250 mV, Y = 0.0696 mV, Z = 0.0634 mV and T = 0.1450 mV, A o = 0.1976 and B o = 0.5003. Furthermore, one obtains cos (φ + Δφ) = 0.8718 and sin (φ + Δφ + ε) = 0.5409 and thus tan (φ + Δφ) = 0.5623. Since cos (φ + Δφ)> 0 results from tan (φ + Δφ) = 0.6095 for φ + Δφ = 29.34 ° and for φ = 99.9 °.
Ein weiteres Ziel ist die Bestimmung der Reflexionsfaktoren der unbedeckten Oberfläche des Mediums 3, beispielsweise der trockenen Fahrbahn, nach Betrag und Phase, was erlaubt, aus der Messung der Beträge der s- und p- Polarisation und dder Phasendifferenz zwischen s- und p- Polarisation der mit einer Schicht bedeckten Oberfläche die Brechbzw. Dielektrizitätszahl der Schicht und die Schichtdicke zu bestimmen.  Another goal is to determine the reflection factors of the uncovered surface of the medium 3, for example the dry road, by amount and phase, which allows the measurement of the amounts of the s and p polarization and the phase difference between the s and p polarization the surface covered with a layer of crushing or Determine the dielectric constant of the layer and the layer thickness.
Wie bereits erläutert, ist es für die Bestimmung der gesuchten Gröβen, wie Brech- und Dielektrizitätszahl und Dicke der Schichte, unbedingt erforderlich, die Reflexionseigenschaften der Oberfläche zu kennen. Für den Gesamtreflexionsfaktor sowohl für den p- als auch für den s-polarisierten Anteil der Werte gilt folgende, bereits aus der US-PS 4 052 666 bekannte Formel: As already explained, it is absolutely necessary to know the reflection properties of the surface in order to determine the sizes sought, such as the refractive index and dielectric constant and the thickness of the layer. The following already applies to the total reflection factor for both the p- and the s-polarized portion of the values, from US Pat. No. 4,052,666 well-known formula:
Figure imgf000014_0001
wobei für r12 der Reflexionsfaktor zwischen dem sich oberhalb der Oberfläche 1 befindlichem Medium und dem Medium der Schicht 2 und für r23 der Reflektionsfaktor zwischen dem Medium der Schicht 2 und dem Medium 3 der entsprechenden Polarisationsrichtung eingesetzt werden. Der Reflexionsfaktor r12 kann in bekannter Weise unter Einsatz der Fresnel 'sehen Formel ermittelt werden. Die aus der Literatur bekannte Gröβe
Figure imgf000014_0001
wherein for r 12 the reflection factor between the medium located above surface 1 and the medium of layer 2 and for r 23 the reflection factor between the medium of layer 2 and medium 3 of the corresponding polarization direction are used. The reflection factor r 12 can be determined in a known manner using the Fresnel formula. The size known from literature
Figure imgf000014_0002
beschreibt die Phasenverschiebung beim einmaligen Durchlaufen der Schicht, wobei λo die freie Wellenlänge, d die Dicke der Schicht und εr1 die komplexe Dielektrizitätszahl für das Medium oberhalb der Oberfläche 1, wobei im Falle von Luft für diesen Wert ein Wert von 1 als guter Näherungswert gilt, und εr2 die komplexe Dielektrizitätszahl für das Medium der
Figure imgf000014_0002
describes the phase shift when passing through the layer once, where λ o is the free wavelength, d is the thickness of the layer and ε r1 is the complex dielectric constant for the medium above surface 1, in the case of air a value of 1 as a good approximation for this value applies, and ε r2 is the complex dielectric constant for the medium of
Schicht 2 bedeuten.  Layer 2 mean.
Durch das im folgenden beschriebene Auswerteverfahren können der Real- und der Imaginäranteil der komplexen Gröβen r23 für die beiden Polarisationsrichtungen p und s bestimmt und somit die gesuchten Gröβen, wie die komplexen Brech- bzw. Dielektrizitätszahl und die Dicke der Schicht 2 ermittelt werden. By means of the evaluation method described below, the real and the imaginary part of the complex quantities r 23 for the two polarization directions p and s can be determined and thus the quantities sought, such as the complex refractive index or dielectric constant and the thickness of the layer 2, can be determined.
Die Gleichung für die Berechnung des Gesamtreflexionsfaktors R gilt für alle Schichtdicken, also auch für die Dicke d = 0, woraus sich folgende Beziehung ergibt:  The equation for the calculation of the total reflection factor R applies to all layer thicknesses, i.e. also for the thickness d = 0, which gives the following relationship:
Figure imgf000014_0003
Figure imgf000014_0003
Der komplexe Reflexionsfaktor r23 läβt sich über- raschenderweise aus dem komplexen Reflexionsfaktor r13 zwischen dem Medium oberhalb der Oberfläche 1 und dem Medium 3, jeweils wieder für beide Polarisationsrichtungen, ermitteln. The complex reflection factor r 23 can be surprisingly determine from the complex reflection factor r 13 between the medium above the surface 1 and the medium 3, again for both polarization directions.
Somit muβ für die Lösung der gesamten Aufgabe nur noch die Reflexionsfaktoren zwischen dem Medium 1 und dem Medium 3 bekannt sein.  Thus, only the reflection factors between the medium 1 and the medium 3 need to be known for the solution of the entire problem.
Drei Bedingungen für diese vier unbekannten Gröβen Real- und Imaginärteil des Reflexionsfaktor r13 sowohl für den p- als auch für den s-polarisierten Anteil des Signales bzw. der elektromagnetischen Welle, lassen sich durch einmalige Messung der unbedeckten Oberfläche (Schichtdicke d = 0) mittels der erfindungsgemäβen Einrichtung ermitteln. Three conditions for these four unknown quantities, the real and imaginary part of the reflection factor r 13, both for the p- and for the s-polarized part of the signal or the electromagnetic wave, can be measured by measuring the uncovered surface once (layer thickness d = 0) determine by means of the device according to the invention.
Wird beispielsweise die Antenne 5 für die p - polarisierte Welle und die Antenne 6 für die s - polarisierte Welle eingesetzt, so gilt bei d = 0:  If, for example, antenna 5 is used for the p-polarized wave and antenna 6 for the s-polarized wave, the following applies when d = 0:
Ir13 , p : = Ao Ir 13 , p: = A o
Ir13 , s ; = Bo arg (r13, p) - arg (r13, s) = φ bzw. arg (r13, p) = arg (r13, s) + φ . Ir 13 , s; = B o arg (r 13, p) - arg (r 13 , s) = φ or arg (r 13 , p) = arg (r 13 , s) + φ.
Somit bleibt noch eine Gröβe, beispielsweise arg (r13,s) unbestimmt. This leaves one size, for example arg (r 13, s ) undetermined.
Es ist noch eine weitere Messung notwendig, um das gesamte Gleichungssystem lösen und damit die gesuchten Gröβen, wie komplexe Brech- und Dielektrizitätszahl und Dicke der Schicht, bestimmen zu können. Dies geschieht bei der Auswertung durch eine weitere, nur einmal durchzuführende Messung, bei der die Oberfläche von einer Schicht bedeckt ist, von der zumindest eine der Gröβen, wie Real- oder Imaginärteil der Brech- bzw. Dielektrizitätszahl oder die Schichtdicke bekannt ist. Dabei werden wieder drei Gröβen gemessen, wobei höchstens zwei weitere Unbekannte auftreten, sodaβ das gesamte Gleichungssystem lösbar ist. Im konkreten Fall der Messung von einer eine Verkehrsfläche bedeckenden Schicht ist kein künstliches Aufbringen einer Schicht und damit eine Sperre der Verkehrsflache für den Verkehr erforderlich. Es genügt, die Messung während eines Regens durchzuführen, da die komplexe Brech- bzw. Dielektrizitätszahl von Wasser bekannt ist, wobei lediglich vorausgesetzt werden muβ, daβ nicht Salz gestreut ist. Aufgrund der Sensitivität des Gleichungssystems sollte diese Messung bei einer geringen Schichtdicke d < < λ/4 durchgeführt werden. A further measurement is necessary to solve the entire system of equations and thus to be able to determine the quantities sought, such as complex refractive index and dielectric constant and thickness of the layer. This takes place in the evaluation by means of a further measurement to be carried out only once, in which the surface is covered by a layer, of which at least one of the sizes, such as the real or imaginary part of the refractive index or dielectric constant or the layer thickness, is known. Three sizes are measured again, with a maximum of two further unknowns, so that the entire system of equations can be solved. In the specific case of the measurement of a layer covering a traffic area, no artificial application of a layer and thus a blocking of the traffic area for the traffic is necessary. It is sufficient to carry out the measurement during a rain, since the complex refractive index or dielectric constant of water is known, with the only requirement being that no salt is scattered. Due to the sensitivity of the system of equations this measurement can be carried out with a small layer thickness d <<λ / 4.
Wird die oben erwähnte weitere Messung mit einer Schicht durchgeführt, von der die komplexe Brech- bzw. Dielektrizitätszahl bekannt ist, wie bei Wasser auf einer Fahrbahn, müssen nur zwei Gröβen gemessen und bei der Berechnung berücksichtigt werden.  If the above-mentioned further measurement is carried out with a layer of which the complex refractive index or dielectric constant is known, as in the case of water on a roadway, only two variables need to be measured and taken into account in the calculation.
In der Reflektometrie ist es üblich, vor allem den Quotienten vom Gesamtreflexionsfaktor für die p - Polarisation Rp und für die s - Polarisation Rs für die Auswertungen zu verwenden. Damit ergibt sich für den hier beschriebenen Fall, daβ nämlich arg (r 12,5) und die Schichtdicke d unbekannt sind, folgendes Gleichungssystem: In reflectometry, it is common to use the quotient of the total reflection factor for the p-polarization R p and for the s-polarization R s for the evaluations. This results in the following system of equations for the case described here, namely that arg (r 12.5 ) and the layer thickness d are unknown:
Ao A o
= f (arg(r13, s) , d) = -- cos φ = f (arg (r 13 , s), d) = - cos φ
Bo B o
Ao A o
= g (arg(r13, s) , d) = -- sin φ= g (arg (r 13 , s), d) = - sin φ
Figure imgf000016_0001
Bo
Figure imgf000016_0001
B o
Die gemessenen Gröβen sind darin Ao , Bo und φ ; f und g symbolisieren, daβ Real- und Imaginärteil des Quotienten der Gesamtreflexionsfaktoren nur noch von arg (r13, 5 ) und d abhängen.Dieses Gleichungssystem ist so kompliziert, daβ es nur noch numerisch nach arg ( , ) und d aufgelöst werden
Figure imgf000016_0002
The measured quantities are A o , B o and φ; f and g symbolize that the real and imaginary part of the quotient of the total reflection factors depend only on arg (r 13, 5 ) and d. This system of equations is so complicated that it is only numerically solved for arg ( , ) and d
Figure imgf000016_0002
kann. can.
Die Vorteile der erfindungsgemäβen Einrichtung einschlieβlich des Kalibrier- und Auswerteverfahrens gegenüber einem bekannten Empfänger mit Überlagerungsempfang und damit verbundenen einem oder mehreren lokalen Oszillatoren, liegen darin, daβ die erfindungsgemäβe Einrichtung einen wesentlich geringeren Schaltungsaufwand erfordert. Da die beiden Eingangssignale, die ja von der selben Quelle kommen, miteinander gemischt werden, ist diese Schaltung auch weitgehend unempfindlich gegenüber kleinen Schwankungen der Frequenz der Eingangssignale. Wird der Sender amplitudenmoduliert, können sämtliche Vorteile der bekannten Synchrondetektion ausgenützt werden. Für die Kalibrierung ist nur ein einmaliges Ausrichten der Antennen aufeinander und die Durchführung der oben beschriebenen Messungen notwendig. Die Bestimmung des Reflexionsverhaltens der Oberfläche kann im konkreten Fall der Bestimmung von Schichten auf Verkehrsflächen im laufenden Be trieb erfolgen, wodurch Sörungen im Verkehrsfluβ minimiert und ie Sperre von Verkehrsflächen vermieden wird. The advantages of the device according to the invention, including the calibration and evaluation method, compared to a known receiver with heterodyne reception and one or more local oscillators connected therewith, lie in the fact that the device according to the invention requires significantly less circuitry. Since the two input signals, which come from the same source, are mixed together, this circuit is also largely insensitive to small fluctuations in the frequency of the input signals. If the transmitter is amplitude modulated, all advantages of the known synchronous detection can be exploited. For the calibration it is only necessary to align the antennas once and to carry out the measurements described above. The determination of the reflection behavior of the surface can in the concrete case of the determination of layers on traffic areas in the current loading drive, which minimizes disturbances in the flow of traffic and avoids the blocking of traffic areas.
Patentansprüche:  Claims:

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT CLAIMS
1. Einrichtung zur Bestimmung von Amplituden- und Phasengröβe zweier unterschiedlich polarisierter von zwei getrennten Empfangsantennen aufgenommener Signale, insbesondere Signale im Mikrowellenbereich, einer reflektrometrischen Meβeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daβ die Empfangsantennen (5, 6) mit den Eingängen einer Leistungsteiler (9, 10, 11, 12) und Leistungsvereiniger (13, 14) aufweisenden Schaltung verbunden sind deren vier Ausgänge mit Detektoren (20, 21, 22, 23) verbunden sind, von denen zwei mit den Signalen je einer zugeordneten Empfangsantenne (5, 6) direkt, und die beiden anderen mit einem Gemisch dieser Signale beaufschlagt sind, wobei einer dieser letzteren Detektoren (21, 22) mit einem Gemisch dieser Signale beaufschlagt ist, bei dem eines der beiden Signale in seiner Phase gedreht ist. 1. A device for determining the amplitude and phase size of two differently polarized signals picked up by two separate receiving antennas, in particular signals in the microwave range, of a reflectometric measuring device, characterized in that the receiving antennas (5, 6) with the inputs of a power divider (9, 10, 11, 12) and power combiner (13, 14) are connected, the four outputs of which are connected to detectors (20, 21, 22, 23), two of which are connected directly to the signals with an associated receiving antenna (5, 6), and the other two are acted upon by a mixture of these signals, one of these latter detectors (21, 22) being acted upon by a mixture of these signals, in which one of the two signals is rotated in phase.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daβ die eingangssei tig mit den Empfangsantennen (5, 6) verbundenen Leistungsteiler (9, 10) mit ihren einen Ausgängen mit je einen Detektor (20, 23) verbunden sind und die zweiten Ausgänge dieser Leistungsteiler (9, 10) mit den Eingängen weiterer Leistungsteiler (11, 12) verbunden sind, deren eine Ausgänge mit einem Eingang je eines zugeordneten Leistungsvereinigers (13, 14) und jeder der zweiten Ausgänge der Leistungsteiler (11, 12) mit jenem Leistungsvereiniger (13, 14) verbunden ist, dessen anderer Eingang mit dem anderen Leistungsteiler (11, 12) verbunden ist, wobei in mindestens einer dieser Leitungen ein Phasenschieber (15) angeordnet ist und die Ausgänge der Leistungsvereiniger (13, 14) mit Detektoren (21, 22) verbunden sind. 2. Device according to claim 1, characterized in that the input side with the receiving antennas (5, 6) connected power dividers (9, 10) are connected with their one outputs each with a detector (20, 23) and the second outputs of these power dividers (9, 10) are connected to the inputs of further power dividers (11, 12), one of whose outputs with an input of an associated power combiner (13, 14) and each of the second outputs of the power dividers (11, 12) with that power combiner (13 , 14), the other input of which is connected to the other power divider (11, 12), a phase shifter (15) being arranged in at least one of these lines and the outputs of the power combiners (13, 14) having detectors (21, 22 ) are connected.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daβ den Detektoren (20, 21, 22, 23), die vorzugsweise durch Dioden gebildet sind, Abschwächer (16, 17, 18, 19) vorgeschaltet sind. 3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the detectors (20, 21, 22, 23), which are preferably formed by diodes, are preceded by attenuators (16, 17, 18, 19).
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daβ der zwischen dem Leistungsteiler (12) und dem Leistungsvereiniger (13) eingeschaltete Phasenschieber (15) eine Phasenverschiebung von -90° bewirkt. 4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that between the power divider (12) and the power combiner (13) switched phase shifter (15) causes a phase shift of -90 °.
5. Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bi s 4 , dadurch gekennzei chnet , daß in einem ersten Schritt die Empfangsantennen und die Sendeantenne (n) direkt aufeinander ausgerichtet werden und die Amplitudenwerte Ao und Bo nach der folgenden Beziehung 5. A method for calibrating a device according to one of claims 1 to 4, characterized in that in a first step the receiving antennas and the transmitting antenna (s) are aligned directly with one another and the amplitude values A o and B o according to the following relationship
Figure imgf000019_0001
Figure imgf000019_0001
errechnet werden, wobei D den Abstand zwischen den Antennen und H den Normalabstand der Empfangsantennen von der Oberfläche, deren Reflexion untersucht werden soll, bedeuten, wonach Reflexionsmessungen mit jeweils einem reflexionsfrei abgeschlossenen Eingang des im Betriebszustand mit den Antennen verbundenen Leistungsteilern sowie eine Messung, bei welcher an jedem der beiden Eingänge jeweils eine der beiden Antennen angeschlossen ist, durchgeführt werden.  are calculated, where D is the distance between the antennas and H is the normal distance of the receiving antennas from the surface, the reflection of which is to be examined, after which reflection measurements, each with a reflection-free input of the power divider connected to the antennas in the operating state, and a measurement in which one of the two antennas is connected to each of the two inputs.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daβ sowohl für den p -, als auch für den s - polarisierten Anteil der Welle die Antennen (4), (5) und (6) in ihre endgültige Ausrichtung gebracht werden und die Beträge der s- und p- polarisierten Anteile der Welle und die Phasendifferenz zwischen den s- und p- polarisierten Anteilen der von der unbedeckten Oberfläche reflektierten Wellen und danach die Beträge der s- und p- polarisierten Anteile der Welle und die Phasendifferenz zwischen den s- und p- polarisierten Anteilen der von einer mit einer Schicht mit bekannter Brech- bzw. Dielektrizitätszahl, vorzugsweise Regenwasser, bedeckten Oberfläche reflektierten Wellen gemessen werden, wobei aus diesen Meβwerten Betrag und Phase der Reflexionsfaktoren der unbedeckten Oberfläche, z.B. einer trockenen Fahrbahn, ermittelt wird. 6. The method according to claim 5, characterized in that the antennas (4), (5) and (6) are brought into their final orientation and the amounts of both the p- and the s-polarized portion of the wave s- and p-polarized parts of the wave and the phase difference between the s- and p-polarized parts of the waves reflected from the uncovered surface and then the amounts of the s- and p-polarized parts of the wave and the phase difference between the s- and p-polarized proportions of the waves reflected by a surface covered with a layer with a known refractive index or dielectric constant, preferably rainwater, are measured, the measured values and phase of the reflection factors of the uncovered surface, eg a dry roadway.
7. Meβverfahren durchgeführt mit einer nach den Ansprüchen5 bis 6 kalibrierten Einrichtung gemäβ den Ansprüchen 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, daβ die Beträge der s- und p- polari sierten Anteile der Welle und die Phasendifferenz zwischen den s- und p- polarisierten Anteilen mit Bezug auf die mit einer Schicht bedeckten Oberfläche gemessen und aus diesen Meβwerten unter Berücksichtigung der komplexen Reflexionsfaktoren der unbedeckten Oberfläche sowohl Real- und Imaginärteil der Brech- bzw. Dielektrizitätszahl als auch die Dicke der Schicht ermittelt werden. 7. Measuring method carried out with a device calibrated according to claims 5 to 6 according to claims 1 to 4, characterized in that the amounts of the s- and p-polar parts of the wave and the phase difference between the s- and p-polarized parts measured with reference to the surface covered with a layer and from these measured values taking into account the complex reflection factors of the uncovered surface, both the real and imaginary part of the refractive index or dielectric constant as the thickness of the layer can also be determined.
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